Первичная продукция и энергетический обмен
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Февраля 2015 в 20:15, лекция
Описание работы
Процессы в экосистеме
Первый закон термодинамики
Второй закон термодинамики
Поток энергии в экосистеме
Пищевые цепи и сети
Трофические пирамиды
Закон Линдемана о 10% энергии
Эффективность фотосинтеза
Продуктивность экосистемы
Файлы: 1 файл
Дaвлeтoвa Ш.K. Экология и устойчивое развитие
Лекция 4. Первичная продукция и энергетический обмен
Процессы в экосистеме
Первый закон термодинамики
Второй закон термодинамики
Поток энергии в экосистеме
Пищевые цепи и сети
Трофические пирамиды
Закон Линдемана о 10% энергии
Эффективность фотосинтеза
Продуктивность экосистемы
Процессы в Экосистеме
Каждый живой организм должен иметь постоянный запас химической энергии или топлива.
Фотосинтез производит топливо, необходимое организму путем преобразования энергии
света в химическую энергию, которая хранится в углеродных соединениях.
Организмы, которые не фотосинтезируют получают энергию, потребляя растения или
растения, переработаные каким-нибудь животным.
Поток энергии экосистеме происходит в открытой системе. Солнце постоянно дает планете
энергию в виде света, который в конечном счете используется и теряется в виде тепла на
каждом трофическом уровне пищевой сети.
Потребность в энергоснабжении и резерве химических веществ являются основой для двух
основных процессов экосистемы: 1) потока энергии и 2) круговорота веществ.
Эти два процесса связаны между собой.
Первый закон термодинамики
Преобразование энергии в экосистемах происходит в соответствии с универсальными законами
термодинамики:
Первый закон термодинамики (Сохранения) гласит, что общее количество энергии и
материи во Вселенной остается постоянным, она лишь преобразуется из одной формы в
другую.
Энергия может быть преобразована из одной формы (например, световой энергии) в другую
(химическую энергию), но она не может быть создана или уничтожена.
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики гласит, что во всех энергетических обменах, если нет
притока или выхода энергии из системы, потенциальная энергия всегда будет меньше, чем в
исходном состоянии.
Обмен энергии в системе приводит к ее потерям в виде тепла. Не существует обмена энергии,
который идет со 100% эффективностью.
Когда происходит передача энергии из одной формы в другую, энергия теряется в виде тепла и
меньшается, энтропия возрастает.
Энтропия - степень беспорядка в системе.
Фотосинтез
Преобразования энергии в экосистеме начинаются с притока энергии от солнца, которая
фиксируется в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез это процесс, посредством которого растения и фотосинтезирующие
микроорганизмы используют энергию солнечного света для производства глюкозы (простые
сахара) и свободного кислорода.
6H2O + 6CO2 <----------> C6H12O6 + 6O2
Преобразование непригодной энергии солнечного света в полезную химическую энергию,
связано с действием зеленого пигмента хлорофилла.
Энергия хранится в связях с высокой энергией аденозинтрифосфата (АТФ) - "топлива"
используемого всеми живыми существами.
Организмы, которые используют неорганичес-кие источники углерода и энергии, называются
автотрофами ("самопитающиеся").
Клеточное дыхание
Химическая энергия органических молекул, в конечном счете превращается в тепловую
энергию. Эта энергия рассеивается как тепло, и не может быть переработана.
В экосистемах наибольшие потери происходят в процессе дыхания.
Клеточное дыхание это процесс, посредством которого организмы (млекопитающие)
расщепляют глюкозу обратно на ее составляющие, воду и углеводород, таким образом,
расходуя накопленную энергию солнца, первоначально полученную растениями.
Пищевые цепи и сети
Пищевые цепи и пищевые сети – это методы описания того, как энергия передается от одного
вида к другому в экосистеме.
Пищевые цепи/сети описывают последовате-льность передачи энергии от растений к
животным, которые их едят и т.д.
Пищевые сети - взаимосвязанные и пересекаю-щиеся пищевые цепи. Пищевая цепь представ-
ляет собой ряд этапов, с помощью которых энергия получается, используеся и преобразуется
живыми организмами.
Например, солнечный свет помогает растениям расти, растения скотом хищниками.
Продуценты (производящие) — это автотрофные организмы, которые способны синтезировать
органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних
источников энергии. Их называют автотрофами.
Консументы - гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества,
создаваемые продуцентами. Различают консументы первого (растительноядные животные),
второго и других порядков (хищники и паразиты).
Редуценты - организмы-гетеротрофы (бактерии и грибы) которые, используют в качестве
пищи мертвое органичес-кое вещество и в процессе метаболизма разлагают его до
неорганических составляющих.
Компоненты пищевых цепей и пищевых сетей – продуценты, консументы и редуценты
существуют на разных этапах передачи энергии в экосистеме.
Положение каждой группы организмов, получающих пищу одним способом известно как
трофический уровень.
Положение организма в пищевой цепи (трофический уровень) характеризуется его
удаленностью от основного источника поступающей в сообщество энергии.
Автотрофы (продуценты) занимают первый трофический уровень, а гетеротрофы - все
последующие трофические уровни: растительноядные организмы (консументы первого
порядка) - второй, плотоядные (консументы второго порядка) - третий, хищники,
питающиеся плотоядными животными (консументы третьего порядка) - четвертый и т. д.
Tрофическая пирамида
Трофическая пирамида- графическая модель, описыва-ющая распределение энергии,
биомассы или других измеряемых величин между различными трофическими уровнями в
экосистеме.
Консументы
3-го порядка
Консументы 2-го
порядка
Консументы 1-го
порядка
Продуценты
Одум дал следующее определение трофического уровня: "Трофический уровень – это
дискретный энергетический уровень, при котором биомасса и энергетические каналы
представляют всю или часть популяций, поддерживаемых одним и тем же источником
энергии" (Одум, 1968).
Универсальная модель потока энергии Одума
"Универсальная модель потока энергии" Одума (1968): поступившая внутрь энергия (ingestion,
J) - это весь приток на любом уровне; часть этой энергии выходит , т.е. не используется (not
used, NU), остальная часть либо усваивается (assimilation, A) и либо используется при дыхании
(respiration, R) или для производства (production, Р) новой биомассы.
Вся биомасса доступна для перехода на следующий трофический уровнь, но только какая-то
его часть (growth, G) будет потребляться и усваивается в какой-то период времени - это
истинная продуктивность.
Энергия, которая не передается или передается, но не усваивается следующим трофическим
уровнем, сохраняется (storage, S).
Эффективность передачи енергии. Закон Линдемана
Р. Линдеман в своем труде "Трофически-динами-ческий аспект экологии" (1942) , в котором
экосистема описывается с точки зрения преобразования энергии.
Закон Линдемана о трофической эффективности гласит, что эффективность передачи
энергии от одного трофического уровня на другой составляет около 10 процентов.
Согласно закону, во время передачи органических продуктов питания от одного трофического
уровня на другой, только 10 % органического вещества сохранятся в виде массы. Остальная
теряется при передаче или расщепляются при дыхании.
Диаграмма представляет эффективность передачи энерии в пищевой цепи. Только около 8-10%
энергии передается с одного уровня на другой.
Эффективность фотосинтеза
Растения потребляют только 1-3% энергии солнечного света.
Впервые оценка эффективности фотосинтеза была произведена Transeau (1926), который
рассчитал эффективность, с которой кукурузное поле превращает солнечную энергию света в
энергию, запасенную в виде глюкозы:
Эффективность фотосинтеза = Валовая энергия, производимая при фотосинтезе /
Валовая энергия, попадающая на поле
Валовая первичная продуктивность (ВПП) — скорость, с которой солнечная энергия
преобразуется продуцентами в органическое соединение в процессе фотосинтеза (калл/м 2 /ч
ВПП = ЧПП + Д,
где ВПП — валовая первичная продуктивность, ЧПП — чистая первичная
продуктивность, Д — энергия дыхания.
Чистая первичная продуктивность (ЧПП) —скорость прироста биомассы, которая может
быть усвоена гетеротрофными организмами:
ЧПП = ВПП – Д
Продуктивность экосистем
Продуктивность экосистем — это количество органического вещества (в единицах массы или
энергии), производимой с единицы поверхности за единицу времени. Продуктивность -
скорость получения новой биомассы.
Биомасса — это количество живого вещества (в единицах массы), приходящаяся на единицу
площади или объема (т/м 2, кг/м 2).
Вторичная продуктивность - скорость, с которой консументы преобразуют энергию и
вещества, которые они потребляют в свою биомассу.
Экологическая пирамида
Производительность экосистемы может выражатся в виде экологической пирамиды.
Пирамида продуктивности является одним из основных методов, чтобы показать взаимодейс-
твие организмов на разных трофических уровнях.
Пирамида биомассы показывает общую биомассу на каждом трофическом уровне
(продуценты-травоядные-хищники т.д.).
Пирамида чисел отражает распространение видов на каждом трофическом уровне. Она может
быть прямой (трава-грызун-сова) и перевернутой (пауки-жуки).
Пирамида энергии – графическая модель потока энергии в сообществе.
Пирамиды продуктивности, чисел, биомассы.
Вопросы к лекции
1. Объясните разницу между трофическим уровнем и пищевой цепью.
2. Какие параметры измеряются для расчета чистой продукции трофических уровней?
3. Какова экологическая эффективность передачи энергии между трофическими уровнями?
4. Какое количество солнечной радиации потребляется растениями при фотосинтезе и почему?
5. Какие типы трофических пирамид используются для описания измеряемых параметров
различных трофических уровней в экосистеме?
6. Какой параметр используется для измерения общего живого вещества в экосистеме?
Глоссарий
Первый закон термодинамики
Второй закон термодинамики
Фотосинтез
Клеточное дыхание
Пищевые цепи и сети
Трофические уровни
Закон Линдемана о 10% энергии
Эффективность фотосинтеза
Валовая первичная продуктивность
Чистая первичная продуктивность
Продуктивность экосистемы
Биомасса
Вторичная продуктивность
Пирамида продуктивности, биомассы, чисел, энергии
Информация о работе Первичная продукция и энергетический обмен